等靜壓陶瓷生坯鏜孔加工技術(shù)研究

摘要：陶瓷生坯加工技術(shù)由于具有加工效率高、加工費(fèi)用低、刀具磨損小而被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜陶瓷零件制備成型中，但是刀具的使用壽命、瓷坯的表面質(zhì)量等都是等靜壓復(fù)雜瓷坯加工中面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文首先通過刀具優(yōu)化，確定了適宜等靜壓坯體加工的鑲嵌金剛石刀具，研究發(fā)現(xiàn)鑲嵌金剛石刀片具有很好的耐磨損性能，單片加工瓷坯的數(shù)量較硬質(zhì)合金刀具提高了200%，且坯體表面光潔度得到了明顯改善，解決了等靜壓坯體加工表面質(zhì)量差的問題。其次，通過改進(jìn)鉆孔工藝，即將鉆頭鉆孔改為內(nèi)圓鏜孔刀鏜孔操作，不僅大大降低了刀具因加工過程產(chǎn)生的過熱現(xiàn)象，提高了刀具切削效率，而且顯著降低內(nèi)外圓加工余量，提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：等靜壓；陶瓷生坯；加工刀具；內(nèi)圓鏜孔

中圖分類號：TF12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A "" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.11.003

文章編號：1006-0316 （2024） 11-0016-07

Study on Drilling Process of Ceramics formed by Isostatic Pressing

FAN Yulong，XU Wanli，WANG Xiaodong，WANG Mengmeng

（"Institute of Electronic Engineering， China Academy of Engineering Physics， Mianyang 621900， China"）

Abstract：Ceramic green machining technology is widely used in the preparation and molding of complex ceramic parts because of its high processing efficiency， low processing cost and low tool wear. However， the service life of cutting tools and the surface quality of ceramic billets are key challenges in the processing of complex isostatic pressing ceramic billets."Herein， firstly， the suitable diamond embedded blades for isostatic pressing green body machining are determined through tool optimization."It is found that diamond embedded blades have good wear resistance， and the number of ceramic blanks processed on a single piece increased by 200% compared to hard alloy cutting tools."In addition， the surface smoothness of the billets is significantly improved， solving the problem of poor surface quality during isostatic pressing of billets. Secondly， the drilling technology is also improved， that is， the drill bit is changed into the boring operation of inner circle boring tool. it not only greatly reduces the overheating phenomenon caused by the machining process of the tool， improves the cutting efficiency of the tool， but also significantly reduces the machining allowance of inner and outer circles and improves the production efficiency.

Key words：isostatic pressing technology；ceramic green body；machining tool；inner circle drilling

由于具有高強(qiáng)度高硬度、強(qiáng)耐腐蝕性和高耐熱性等優(yōu)異性能，陶瓷材料廣泛應(yīng)用于化學(xué)、國防、機(jī)械等眾多行業(yè)^[1-5]。陶瓷零件的制造往往需要經(jīng)過成型、修坯、脫膠、燒結(jié)、磨加工等工序，最終獲得裝配所需尺寸的陶瓷零件，其中保證尺寸精度的關(guān)鍵就是磨加工工序。大部分陶瓷硬度大、強(qiáng)度高，其優(yōu)越的物理力學(xué)性能反而成為限制其機(jī)械加工能力的主要因素，導(dǎo)致磨加工效率低、加工質(zhì)量難以得到保證。近年來，雖然一些特殊加工技術(shù)被用于燒結(jié)陶瓷加工中，如激光刻蝕技術(shù)、超聲波加工技術(shù)、電火花加工、電化學(xué)加工、超精密加工等^[6-10]，有效解決了特殊零件的加工難題。雖然精密、超精密加工可以提陶瓷材料的加工精度及表面光潔度，但是對燒結(jié)后的陶瓷進(jìn)行機(jī)械加工反而會造成崩邊缺陷等問題，而且加工刀具損耗率極高，是一個高耗時高耗力的加工過程^[11]。針對此類問題，由于陶瓷生坯加工效率高、加工費(fèi)用低、刀具磨損小、刀具使用壽命長、加工方法多樣性等優(yōu)點(diǎn)，陶瓷生坯加工逐漸成為燒結(jié)陶瓷加工的可替代方法^[12]。

對于不同成型方式制備的陶瓷生坯，其生坯加工方式存在差異。其中熱壓鑄成型法在我國是最早采用的成型方法，其可以將陶瓷漿料注射成接近產(chǎn)品形狀的模具，但是受限于陶瓷漿料性能、模具結(jié)構(gòu)等多因素，熱壓鑄產(chǎn)品氣孔率較高、密度相對較低、尺寸和性能均一性較低^[13]，所以采用熱壓鑄技術(shù)制造的陶瓷零件需要經(jīng)過較多的磨加工方能滿足轉(zhuǎn)配的要求。與熱壓鑄成型方法相比，等靜壓成型方法基于帕斯卡原理，通過液體介質(zhì)均勻傳壓至粘結(jié)劑含量較少的粉體坯體，可保證工件密度均勻致密性好，因此等靜壓制備的陶瓷具有強(qiáng)度高、內(nèi)部氣孔率低、尺寸和性能均一性高等優(yōu)勢^[14-15]，特別適合用于對結(jié)構(gòu)尺寸要求較高的陶瓷零件的制造，所以近年來在國內(nèi)得到了迅速推廣。近年來，等靜壓陶瓷生坯加工技術(shù)得到了越來越多的研究關(guān)注，如Yin等^[16]通過優(yōu)化加工工藝獲得了加工精度和邊緣質(zhì)量較好的加工坯體。盡管瓷坯加工技術(shù)具有高加工效率高、低刀具磨損、低加工費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，但是瓷坯加工過程仍舊存在一定的問題，比如刀具的使用壽命、瓷坯的表面質(zhì)量等都是等靜壓瓷坯加工中特別關(guān)注的工藝問題。在前期研究中發(fā)現(xiàn)可以通過控制刀具參數(shù)和切削參數(shù)，可解決端面小直徑深孔環(huán)形槽的技術(shù)難點(diǎn)，從而獲得滿足技術(shù)要求的等靜壓陶瓷^[14]，但之前工作中并未針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷生坯加工展開深入研究。

本文充分考慮等靜壓坯體特點(diǎn)，通過多種加工刀具比較，確定適宜等靜壓坯體加工的刀具，解決了加工等靜壓陶瓷過程中坯體開裂掉粉等技術(shù)問題。但僅通過更改鉆頭進(jìn)刀量、走刀速度等參數(shù)無法保證坯體整體完好性，本文進(jìn)一步通過優(yōu)化等靜壓生坯鏜孔工藝，解決坯體斷裂問題，實(shí)現(xiàn)了等靜壓生坯的加工，制備出滿足使用要求的薄壁陶瓷零件。

1 等靜壓瓷坯加工的技術(shù)問題

等靜壓瓷坯呈高壓物理聚集方式，陶瓷粉體借助于微量的粘結(jié)劑在高壓力作用下形成如粉筆狀的生坯。與燒結(jié)后的陶瓷相比，等靜壓成型坯體的顆粒容易剝離，而且其強(qiáng)度一般可以滿足加工要求，因此通過加工等靜壓成型坯體可以獲得所需要的形狀及表面。

圖1給出了一張等靜壓瓷坯加工（車削）的示意圖。與金屬車削是通過金屬的塑形變形來分離坯體中多余部分的機(jī)制不同，等靜壓瓷坯的車削是通過刀具尖端局部的機(jī)械作用破壞瓷坯中顆粒之間粘結(jié)劑的連接作用，從而實(shí)現(xiàn)多余部分的分離。雖然在等靜壓瓷坯加工過程中，陶瓷顆粒并未被破壞，但是陶瓷顆粒仍然會與刀具產(chǎn)生摩擦、碰撞等相互作用。由于很多陶瓷顆粒的硬度是很高的，如氧化鋁晶粒的里氏硬度達(dá)到9，僅次于金剛石，瓷坯加工過程中，陶瓷顆粒對刀具的破壞作用會直接導(dǎo)致瓷坯加工質(zhì)量下降。因此，減小陶瓷顆粒對刀具的破壞是等靜壓加工的一個重要技術(shù)問題。

如圖1所示，等靜壓瓷坯加工產(chǎn)生的“碎屑”是剝落的陶瓷顆粒，在它們的表面仍然存在大量的粘結(jié)劑，在壓力（約30 MPa）的作用下會重新粘結(jié)在一起，粘結(jié)在一起的陶瓷顆粒極易卡在刀具與瓷坯之間。由于等靜壓瓷坯的強(qiáng)度較低（約20"MPa），卡在刀具與瓷坯之間陶瓷顆粒會直接導(dǎo)致瓷坯的破裂。因此，設(shè)計合適的加工路線，促進(jìn)剝落陶瓷顆粒的排出，避免瓷坯的破壞，是等靜壓加工的另一個重要技術(shù)問題。

針對此類問題，本文對實(shí)際生產(chǎn)中所用的95氧化鋁陶瓷（一種α-Al₂O₃含量在95%左右的陶瓷）的等靜壓坯體加工工藝研究。首先通過對刀具進(jìn)行優(yōu)化，解決了加工等靜壓陶瓷過程中坯體開裂掉粉等技術(shù)問題；其次通過加工路線設(shè)計，解決了等靜壓瓷坯鏜孔的技術(shù)難題，提升了等靜壓陶瓷瓷坯加工的效率。

2 等靜壓瓷坯加工刀具優(yōu)化

2.1 常規(guī)刀具加工

考慮到刀具的磨損及易更換，加工刀具確定為刀桿裝卡刀片方式，刀片重復(fù)裝卡跳動精度在0.01 mm左右，如圖2所示。

首先選用常用的金屬加工刀具，對95氧化鋁陶瓷等靜壓瓷坯進(jìn)行了加工試驗，加工刀具如圖3所示，以待加工材質(zhì)分類分為鋼質(zhì)、鋁合金及鑄鐵類材料刀具，以加工刀具參數(shù)分類分為尖角R0.2 mm及刀尖R0.4 mm圓弧刀片。試驗結(jié)果如下：

（1）上述刀具均能實(shí)現(xiàn)坯體車削加工；

（2）白鋼刀具磨損較大，加工1～2件工件后便磨損嚴(yán)重，后期坯體加工表面光潔度極差；

（3）硬質(zhì)合金刀具基本能勝任等靜壓坯體加工，加工效率明顯高于白鋼刀具，每把刀具可以完成加工8件瓷坯（瓷坯結(jié)構(gòu)如圖4所示）的加工，但在加工后期，逐漸出現(xiàn)排削不暢，加工表面質(zhì)量粗糙，局部還存在小凹坑現(xiàn)象。圖4（a）是硬質(zhì)合金刀具加工后的等靜壓瓷坯表面狀態(tài)，可以看出其表面粗糙度較差，難以滿足使用要求；

（4）刀片尖角R0.2 mm刀具耐磨損性較差，零件表面光潔度優(yōu)，而刀片尖角R0.4 mm刀具耐磨損性相對好，零件表面光潔度差。

為了進(jìn)一步說明金屬刀具耐磨損性能差的問題，對同一件硬質(zhì)合金刀具順次加工的陶瓷生坯進(jìn)行粗糙度測試，結(jié)果如圖4（b）所示。

顯然，隨著金屬刀具的加工，陶瓷生坯表面的粗糙度逐漸增加，尤其是在加工到第5個陶瓷生坯后，粗糙度大幅增加，說明金屬加工刀具難以完成等靜壓瓷坯的加工。究其原因，等靜壓陶瓷坯體雖然強(qiáng)度較低，但氧化鋁晶粒本身硬度很高。雖然可以采用加工金屬的刀具完成瓷坯的剝離，但高硬度顆粒的摩擦作用致使刀尖迅速鈍化，刀具在瓷坯上的作用面積增加，使剝離的瓷坯碎屑尺寸增大，瓷坯表面質(zhì)量下降。

2.2 優(yōu)化刀具加工

針對刀具硬度不足的問題，改用鑲嵌金剛石刀具對等靜壓瓷坯進(jìn)行加工，如圖5所示。實(shí)踐證明，鑲嵌金剛石刀片具有很好的耐磨損性能，單片加工瓷坯的數(shù)量較硬質(zhì)合金刀具提高了200%。

圖6（a）所示為金剛石鑲嵌刀具加工表面狀態(tài)，可以看出坯體表面光潔度得到了明顯改善。對同一件金剛石刀具順次加工的陶瓷生坯進(jìn)行粗糙度測試，結(jié)果如圖6（b）所示。可見隨著金剛石刀具的加工，陶瓷生坯粗糙度基本保持不變，只在加工后期有略微增大趨勢，且金剛石刀具加工的陶瓷生坯的粗糙度僅為1.08"μm，明顯小于硬質(zhì)合金刀具加工的陶瓷生坯粗糙度。說明替換為金剛石刀具可解決等靜壓坯體加工表面質(zhì)量差的問題。

此外，將硬質(zhì)合金刀具、金剛石鑲嵌刀具加工的陶瓷生坯在1650"℃進(jìn)行燒結(jié)，拍攝陶瓷表面的SEM圖片，結(jié)果如圖7所示。硬質(zhì)合金刀具得到的陶瓷表面有較多的坑洼，而金剛石鑲嵌刀具加工得到的陶瓷表面較為光潔平滑?？梢姴捎媒饎偸偳兜毒呖山鉀Q等靜壓坯體加工表面質(zhì)量差的問題，滿足陶瓷零件設(shè)計要求。

3 等靜壓瓷坯鏜孔工藝路線設(shè)計

根據(jù)陶瓷零件結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，很多等靜壓坯體涉及到內(nèi)孔加工。原加工路線設(shè)計是基于實(shí)心坯體，首先在坯體中鉆一個孔，然后再在孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行鏜孔，獲得具有特定尺寸空腔的等靜壓瓷坯。加工基于數(shù)控車床，采用的方式是瓷坯旋轉(zhuǎn)而刀具保持固定。實(shí)驗采用金剛石鉆頭進(jìn)行打孔，實(shí)踐證明，金剛石鉆頭加工通過控制進(jìn)刀量、走刀速度、主軸轉(zhuǎn)速基本能實(shí)現(xiàn)坯體打孔操作，但由于坯體內(nèi)孔深度較深，加工后期容易造成坯體斷裂，如圖8所示。

對等靜壓瓷坯進(jìn)行鉆孔加工時，瓷坯加工碎屑均為陶瓷，碎屑需要沿著鉆頭的螺旋槽排出。如前文所述，碎屑表面附著一定量的有機(jī)粘結(jié)劑，因此流動性較差，這就造成了鉆孔加工排屑不暢。當(dāng)孔深度較淺時表現(xiàn)不明顯，但當(dāng)鉆孔到一定深度時，粉末排除不暢，刀具與坯體間殘留有粉屑，刀具與瓷坯相互擠壓，造成刀具與坯體間摩擦力增大，刀具發(fā)熱嚴(yán)重，切削力進(jìn)一步降低而導(dǎo)致進(jìn)刀時擠壓力增強(qiáng)。由于等靜壓瓷坯的強(qiáng)度和韌性遠(yuǎn)低于金屬材料，鉆孔加工就很容易造成坯體產(chǎn)生至開裂。因此，采用鉆孔加鏜孔的方式完成等靜壓瓷坯的孔加工是不合適的。

雖然可以采用車孔的方式，即采用車加工的方式一層層深入，完成等靜壓瓷坯的孔加工，

但是該方法加工效率較低。本文設(shè)計了一種等靜壓瓷坯鏜孔加工方法。在等靜壓瓷坯壓制過程中，通過模具設(shè)計，在瓷坯中心增加一個芯軸，芯軸去除后就得到了一個孔，如圖9所示，左邊為實(shí)心坯體，中間為等靜壓坯體帶芯軸成型方式，右邊為等靜壓空心坯體。

圖10是帶有芯軸的等靜壓瓷坯鏜孔加工過程。第1步，卡鉗夾持芯軸，采用切斷刀加工一個夾持面；第2步，去除芯軸，卡鉗夾持第1步中加工得到的夾持面，基于中間的孔，采用鏜孔刀進(jìn)行鏜孔加工。此種方式不僅有效解決了粉體排屑問題，大大降低了刀具因加工過程產(chǎn)生的過熱現(xiàn)象，避免了瓷坯斷裂的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了等靜壓坯體鏜孔加工，而且因為無需盡心鉆孔加工，所以提高了加工效率。同時還可以看出，空心坯體不僅降低了內(nèi)腔的加工余量，同時外圓加工余量也大幅度降低，這是因為實(shí)心坯體依賴外圓定位，由于外圓的不規(guī)則狀，需要將坯體初加工至規(guī)則圓柱體狀，從而導(dǎo)致了更多的加工余量?？招呐黧w由于內(nèi)含形狀規(guī)則的金屬芯軸，加工時以規(guī)則金屬芯軸為基準(zhǔn)進(jìn)行初加工，可大大降低外圓加工余量，提高生產(chǎn)效率，實(shí)踐證實(shí)空心坯體加工效率較全實(shí)心加工（車孔）提高30%以上。圖11（a）為等靜壓坯體鏜孔加工過程中所拍攝的照片，圖11（b）為等靜壓坯體鏜孔后的圖片，樣品鏜孔后完好無損，可用于具有內(nèi)孔的等靜壓瓷坯的加工。

4 結(jié)論

本文對實(shí)際生產(chǎn)中所用的95氧化鋁陶瓷的等靜壓坯體加工工藝研究。首先，對比了不同刀具的加工效果。研究結(jié)果表明，使用硬質(zhì)合金刀具制備加工的等靜壓陶瓷生坯表面粗糙度較大（＞1.32"μm），且陶瓷表面產(chǎn)生較多坑洼缺陷；將其替換為金剛石鑲嵌刀具，陶瓷表面粗糙度明顯下降（1.08"μm），且陶瓷表面基本無缺陷產(chǎn)生，尤其是隨著金剛石刀具使用，陶瓷粗糙度變化不明顯。說明通過刀具優(yōu)化可解決等靜壓坯體加工表面質(zhì)量差等問題，并延長了刀具使用壽命。其次，通過在等靜壓瓷坯壓制過程中引入芯軸，即將鉆頭鉆孔改為內(nèi)圓鏜孔刀鏜孔操作，得到一個帶有中心孔的等靜壓瓷坯，避免了鉆孔加工導(dǎo)致的瓷坯斷裂，不僅提高了刀具切削效率，而且顯著降低內(nèi)外圓加工余量，提升了等靜壓生坯加工效率。

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作者簡介：范玉龍（1972－），男，甘肅蘭州人，高級工，主要研究方向為陶瓷機(jī)械加工，E-mail：1042722183@qq.com。

*通信作者：王蒙蒙（1995－），女，安徽阜陽人，博士，助理研究員，主要研究方向為陶瓷力電性能調(diào)控研究，E-mail：wmm72@mail.ustc.edu.cn。